DE10047688B4 - ion source - Google Patents
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Abstract
Ionenquelle (80, 99, 100) zur Erzeugung eines gerichteten Ionenstrahls (32), wobei die Ionenquelle ein erstes und ein zweites Gasvolumen (21, 22) auf einer ersten bzw. zweiten Seite einer Trennwand (11) umfasst, wobei eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Gasvolumen (21, 22) besteht und Gas aus dem ersten (21) in das zweite Gasvolumen (22) durch zumindest eine Öffnung (1) in der Trennwand (11) strömt und beim Durchströmen in einer Gasentladung ionisiert wird, wobei die Trennwand (11) eine dielektrische Basisschicht (11), eine elektrisch leitfähige erste Schicht (12) auf der ersten Seite (21) der Basisschicht (11) und eine elektrisch leitfähige zweite Schicht (13) auf der zweiten Seite (22) der Basisschicht (11) umfasst, und eine elektrische Spannung zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Schicht (12, 13) anlegbar ist, wodurch eine Gasentladung durch Elektronenstoßionisation im Bereich der Öffnung (1) erzeugt wird.ion source (80, 99, 100) for generating a directed ion beam (32), the ion source having a first and a second gas volume (21, 22) on a first or second side of a partition (11), wherein a pressure difference between the first and second gas volumes (21, 22) and gas from the first (21) into the second gas volume (22) through at least one opening (1) flows in the partition (11) and when flowing through is ionized in a gas discharge, the partition (11) being a dielectric base layer (11), an electrically conductive first Layer (12) on the first side (21) of the base layer (11) and an electrically conductive second layer (13) on the second side (22) of the base layer (11), and an electric voltage between the first and second conductive Layer (12, 13) can be applied, causing gas discharge by electron impact ionization in the area of the opening (1) is generated.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle im allgemeinen und eine Ionenquelle für die Ionenerzeugung in gasförmigen Medien im speziellen.The The invention relates to an ion source in general and an ion source for the Ion generation in gaseous Media in particular.
Ionenquellen (IQ) spielen heute in vielen Bereichen der Physik und in der industriellen Anwendung (Plasmaabscheidung, Implantation, Ionenätzen von Mikrostrukturen etc.) eine wichtige Rolle. Die Anforderungen an solche Ionenquellen sind äußerst vielfältig, z.B. bestimmte Ionenart oder Ladungszustand, hohe Intensität, hohe Brillanz, gepulster Betrieb etc. Allgemein ist jedoch das Ziel, Ionenquellen hoher Intensität mit guter Brillanz zu verbinden.ion sources (IQ) play in many areas of physics and industrial today Application (plasma deposition, implantation, ion etching of Microstructures etc.) play an important role. The requirements for such ion sources are extremely diverse, e.g. certain type of ion or state of charge, high intensity, high Brilliance, pulsed operation etc. In general, however, the goal is High intensity ion sources to combine with good brilliance.
Bei bekannten Ionenquellen werden die Ionen in Plasmen erzeugt, die in der Regel im sub-millibar Druckbereich gezündet und betrieben werden. Dabei zeigt es sich, dass wegen dieser begrenzten Gas- und Plasma-Dichte nur Ionenströme mit Flächendichten von bis ca. 0,5 Ampere/cm2 erreicht werden können. Eine ausführliche Beschreibung solcher bekannter Ionenquellen findet sich z.B. in B. Wolf, Handbook of Ion Sources, CRC Press, Boca Raton (1995) oder I. G. Brown, The Physics and Technology of Ion Sources, John Wiley & Sons, New York (1989), welche hiermit vollumfänglich zum Gegenstand der Beschreibung gemacht werden.In known ion sources, the ions are generated in plasmas, which are generally ignited and operated in the sub-millibar pressure range. It turns out that because of this limited gas and plasma density, only ion currents with areal densities of up to about 0.5 amperes / cm 2 can be achieved. A detailed description of such known ion sources can be found, for example, in B. Wolf, Handbook of Ion Sources, CRC Press, Boca Raton (1995) or IG Brown, The Physics and Technology of Ion Sources, John Wiley & Sons, New York (1989), which are hereby fully made the subject of the description.
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Das
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Ferner
beschreibt der Abstrakt des Dokuments
Die Brillanz oder Emittanz des Ionenstrahles wird durch die Temperatur der Ionen in der Quelle begrenzt. Diese Temperatur liegt bei den bekannten Ionenquellen typischerweise bei mehreren 1000° Celsius, was einer Energieunschärfe in allen drei Raumrichtungen von ca. 0,1 bis 1 eV (Elektronvolt) entspricht. Um Ionenstrahlen mit hoher Stromstärke zu erzeugen, werden hierbei in der Regel große Plasma-Volumina benötigt.The Brilliance or emittance of the ion beam is caused by the temperature the ions in the source are limited. This temperature is at known ion sources typically at several 1000 ° Celsius, what an energy blur in all three spatial directions from approx. 0.1 to 1 eV (electron volt) equivalent. In order to generate ion beams with a high current intensity, here usually big Plasma volumes needed.
Weiter
beschreibt das Dokument
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Ionenquelle mit sehr kleinem Volumen, aber mit hohem Ionenstrom, geringer Emittanz und/oder hoher Brillanz, insbesondere geringer Energieunschärfe, zur Verfügung stellen.It is therefore an object of the invention, an ion source with very small volume, but with high ion current, low emittance and / or high brilliance, especially low energy blur, for disposal put.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine preiswerte und kompakte Ionenquelle zur Verfügung zu stellen.A Another job is to find an inexpensive and compact ion source to disposal to deliver.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Ionenquelle für großflächige Ionenstrahlen zur Verfügung zu stellen.A Another task is to provide an ion source for large-area ion beams put.
Die Aufgabe der Erfindung wird in einfacher Weise bereits durch die in Anspruch 1 definierte Ionenquelle gelöst.The The object of the invention is achieved in a simple manner Solved ion source defined in claim 1.
Die erfindungsgemäße Ionenquelle umfasst ein erstes und ein zweites Gasvolumen auf einer ersten bzw. zweiten Seite einer Trennwand, wobei eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Gasvolumen besteht und Gas aus dem ersten in das zweite Gasvolumen durch zumindest eine Öffnung in der Trennwand strömt und beim Durchströmen in einer Gasentladung ionisiert wird.The ion source according to the invention comprises a first and a second gas volume on a first or second side of a partition, wherein a pressure difference between the first and second gas volumes and gas from the first flows into the second gas volume through at least one opening in the partition and at Flow through is ionized in a gas discharge.
Dadurch erzeugt die Ionenquelle in vorteilhafter Weise einen gerichteten und kalten Ionenstrahl.Thereby the ion source advantageously generates a directed one and cold ion beam.
Ferner verwendet die Ionenquelle eine Trennwand, umfassend eine dielektrische Basisschicht, eine elektrisch leitfähige erste Schicht auf der ersten Seite der Basisschicht und eine elektrisch leitfähige zweite Schicht auf der zweiten Seite der Basisschicht.Further the ion source uses a partition comprising a dielectric Base layer, an electrically conductive first layer on the first side of the base layer and an electrically conductive second Layer on the second side of the base layer.
Solche Trennwände, insbesondere in Form einer flexiblen Folie sind leicht und preisgünstig herstellbar. Zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten ist eine Spannung anlegbar, welche aufgrund der kleinen Geometrie innerhalb der kleinen Öffnung extrem hohe elektrische Feldstärken ergibt. Die Feldstärken im Bereich der Öffnung betragen mindestens etwa 104, 105, 106, 107 oder sogar 108 V/cm. Hierzu sind lediglich relativ geringe Spannungen in der Größenordnung von 1 bis 1000 Volt notwendig. Aufgrund der hohen Feldstärken kann die Ionenquelle bei hohen Drücken von bis zu 10-3, 10-2, 10-1, 10, oder 102 bar auf der ersten Seite der Trennwand betrieben werden.Such partitions, in particular in the form of a flexible film, can be produced easily and inexpensively. A voltage can be applied between the two electrically conductive layers, which results in extremely high electrical field strengths due to the small geometry within the small opening. The field strengths in the area of the opening are at least about 10 4 , 10 5 , 10 6 , 10 7 or even 10 8 V / cm. There are only relatively low voltages for this on the order of 1 to 1000 volts. Due to the high field strengths, the ion source can be operated at high pressures of up to 10 -3 , 10 -2 , 10 -1 , 10, or 10 2 bar on the first side of the partition.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt die Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Seite der Trennwand zumindest ein, zwei, drei, vier fünf oder sechs Zehnerpotenzen. Dadurch expandiert das Gas beim Durchströmen durch die Öffnung im wesentlichen adiabatisch isochor. Dadurch wird die gesamte Enthalpie des Gases in gerichtete Bewegung umgewandelt, so dass die Gasatome eine mittlere Geschwindigkeit v = (5kT/m)1/2, erhalten, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die Gastemperatur sind. Dabei kühlt das Gas auf Temperaturen bis in den milliKelvin-Bereich ab. Es entsteht ein Überschallgasjet (supersonic jet), welcher in Fachkreisen zuweilen auch als Ultraschallgasjet bezeichnet wird. Letztere Terminologie wird im Folgenden verwendet. Diese Technik ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Dieser Ultraschallgasjet wird nun erfindungsgemäß im Bereich der Öffnung durch Elektronenstoßionisation ionisiert, wodurch ein extrem kalter und gerichteter Ionenstrahl entsteht.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the pressure difference between the first and second sides of the partition is at least one, two, three, four, five or six powers of ten. As a result, the gas expands essentially adiabatically isochorically as it flows through the opening. As a result, the entire enthalpy of the gas is converted into directional movement, so that the gas atoms have an average velocity v = (5 kT / m) 1/2 , where k is the Boltzmann constant and T is the gas temperature. The gas cools down to temperatures in the milliKelvin range. A supersonic jet is created, which is sometimes referred to as an ultrasonic gas jet in specialist circles. The latter terminology is used below. This technique is basically known to the person skilled in the art. This ultrasound gas jet is now ionized in the region of the opening by electron impact ionization, which results in an extremely cold and directed ion beam.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der kälteste innere Teil des Ionenstrahls durch eine Blende oder einen Skimmer herausgeschält, wodurch eine noch geringere Energieunschärfe erzeugt wird. Um besonders geringe Ionentemperaturen zu erreichen, wird das Gas in dem ersten Gasvolumen vorzugsweise auf unter 100, 70, 30, 20, oder 10 Kelvin gekühlt.at A preferred development of the invention is the coldest interior Part of the ion beam peeled out through an aperture or skimmer, causing even less energy blur is produced. In order to achieve particularly low ion temperatures, the gas in the first gas volume is preferably below 100, 70, 30, 20, or 10 Kelvin chilled.
Besonders vorteilhaft wird mit einem Mischgas aus Trägergas und einem Arbeitsgas gearbeitet, wobei im wesentlichen lediglich die Atome oder Moleküle des Arbeitsgases ionisiert werden. Das Trägergas bestimmt die thermodynamischen Eigenschaften der Gasexpansion. Zum Beispiel ist Helium aufgrund seiner geringen Atommasse und seinem hohen Ionisationspotential besonders gut als Trägergas geeignet, wobei es während der Expansion das Arbeitsgas kühlt. Außerdem können in Helium wegen dessen hoher elektronischer Anregungsenergie die bei der Gasentladung entstehenden und daraufhin durch das elektrische Feld beschleunigten Elektronen trotz des hohen Gasdrucks eine große kinetische Energie aufnehmen. Das Arbeitsgas weist ein wesentlich geringeres Ionisationspotential als Helium auf, so dass im wesentlichen lediglich das Arbeitsgas ionisiert wird. Durch Wahl des Mischverhältnisses von Träger- und Arbeitsgas kann die mittlere kinetische Energie der Elektronen und damit die Ionisation des Arbeitsgases gezielt eingestellt werden.Especially is advantageous with a mixed gas of carrier gas and a working gas worked, essentially only the atoms or molecules of the working gas be ionized. The carrier gas determines the thermodynamic properties of gas expansion. To the One example is helium due to its low atomic mass and high Ionization potential particularly well suited as a carrier gas, it being during the Expansion cools the working gas. Moreover can in helium because of its high electronic excitation energy the gas discharge and then by the electrical In spite of the high gas pressure, electrons accelerated a large amount of kinetic energy in the field take up. The working gas has a much lower ionization potential as helium, so that essentially only the working gas ionizes becomes. By choosing the mixing ratio of Carrier- and working gas can be the mean kinetic energy of the electrons and thus the ionization of the working gas can be set specifically.
Durch Kühlung des Trägergases wird die transversale Impulsunschärfe des Gases und damit des Ionenstrahls weiter verringert, so dass der Ionenstrahl eine extrem gute transversale Brillanz besitzt.By cooling of the carrier gas is the transverse impulse blur of the gas and thus the Ion beam further decreased, making the ion beam an extreme has good transverse brilliance.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung verwendet sogenannte Mikrostrukturelektroden-Folien. Eine Mikrostrukturelektrode (MSE) umfasst eine, mehrere oder viele Mikro-Öffnungen. Im Falle von mehreren oder vielen sind diese vorzugsweise als regelmäßige flächenhafte Matrix angeordnet. Diese sind preisgünstig, großflächig, mit geringem Abstand zwischen den Öffnungen und sehr kleinen Öffnungen herstellbar. Bei dieser Ausführungsform wird ein großflächiges Plasma durch eine Vielzahl von Poren erzeugt.A preferred development of the invention uses so-called microstructure electrode foils. A microstructure electrode (MSE) comprises one, several or many Micro-openings. In the case of several or many, these are preferably planar as regular Arranged matrix. These are inexpensive, large-scale, with a small distance between the openings and very small openings. In this embodiment becomes a large area plasma created by a variety of pores.
Dadurch werden Ionenstromdichten von mindestens 10-3, 10-2, 10-1, 10, 100 oder 1000 Ampere/cm2 bei Gleichstrom oder gepulstem Betrieb) erzeugt.As a result, ion current densities of at least 10 -3 , 10 -2 , 10 -1 , 10, 100 or 1000 amperes / cm 2 are generated with direct current or pulsed operation).
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.in the The invention is based on preferred embodiments and explained in more detail with reference to the figures.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Es zeigen:It demonstrate:
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention
Jede
einzelne Mikroionenenquelle wird aus einer Mikropore
Bezug
nehmend auf
Das
zu ionisierende Gas, d.h. das Arbeitsgas, bei dieser Ausführungsform
z.B. O2 oder Kr wird dem Trägergas,
hier etwa neunzig Volumenprozent Helium beigemischt. Es kann aber
grundsätzlich
jedes Träger-
und jedes Arbeitsgas verwendet werden. In der Hochdruckstufe
Die
Ionenquelle
Systematische
Untersuchungen mit Einzelporen
Diese
Entladungen können
extrem schnell im Pulsbetrieb ein- und ausgeschaltet werden. Es werden
Schaltzeiten von unter 10 oder 1 μsec
erreicht. Ein- und Ausschaltzeiten in bekannten Ionenquellen sind
je nach Plasmageometrie
Die
einzeln ansteuerbaren Mikroentladungen
Das
Volumen einer Mikroionenenquelle mit etwa 1000 Poren misst nur etwa
eine Fläche
von ca.(4 × 4)mm2 und hat eine Dicke von ca. 0,3 mm. Das
geometrische Volumen der gekühlten
Hochdruckstufe
Damit
wird eine Ionenquelle
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